硅中光超极化磷施主核的核磁共振研究

我们利用 1047 nm 激光的带隙以上光激发，在 4.2 K 与 6.7 T 下对低掺杂（N$_D =6\times10^{15}$ cm$^{-3}$）天然丰度硅中的 $^{31}$P 自旋进行超极化，并感应探测由此产生的 NMR 信号。观测到的 $30$ kHz 谱线宽度远大于 $^{28}$Si 富集硅晶体中观测到的 600 Hz 线宽。我们表明，该展宽与先前 ENDOR 结果一致，即离散同位素质量效应对施主超精细耦合有贡献。展宽的次要来源可能源于天然硅中不同同位素随机分布所引起的局域应变变化。在天然丰度硅样品中，光诱导 $^{31}$P 超极化的核自旋 T$_1$ 与建立时间分别观测为 $178\pm47$ s 与 $69\pm6$ s，显著短于相同条件下 $^{28}$Si 富集样品中先前测得的值。我们还在 9.4 T 下测得天然丰度硅中 $^{31}$P 信号的 T$_1$ 与超极化建立时间分别为 $54\pm31$ s 与 $13\pm2$ s。高场下更短的建立时间与核自旋 T$_1$ 可能源于更短的电子自旋 T$_1$，其通过非久期超精细相互作用驱动核自旋弛豫。在 6.7 T 下，磷核自旋 T$_{2}$ 于 4.2 K 测得为 $16.7\pm1.6$ ms，比 $^{28}$Si 富集晶体短 4 倍。观测到其在红外激光存在时进一步缩短至 $1.9\pm0.4$ ms。